犁式挤压切割技术制备多姿态金属翅片阵列

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Multi-attitude metal fin arrays via plowing extrusion-cutting

　　

# 摘要

具有复杂姿态阵列的金属翅片是能源转换应用的通用基底，包括电子散热、功率产生和微流控。然而，金属翅片的功能应用与其阵列姿态高度相关，因此迫切需要一种简便的多姿态翅片阵列制备方法。本文提出了一种柔性加工方法，即犁削挤压-切割（PE-C），用于制备具有可调姿态的铜微齿翅片阵列。该方法包括两个变形阶段，即犁削挤压（PE）和切割阶段。PE阶段生成微齿翅片阵列的基本几何形状（形状和尺寸），而切割阶段控制其姿态（倾斜和弯曲）。实验展示了成形特性，并辅以深入的成形机理分析和模型验证。结果表明，PE过程中可实现周期性断裂，从而制备出连续的微齿阵列。通过后续切割阶段中的"基体-表面"联动变形，实现了阵列的多姿态调节。微齿翅片阵列可灵活调节为倾斜0-50°和弯曲20-40°。此外，模型预测值与实验结果吻合良好，验证了PE-C方法出色的可调性和适用性。

# 引言

固体表面上的微结构翅片阵列（MFAs，尺寸：亚毫米至毫米量级）因其独特而强大的功能特性而引起了广泛关注，包括高效传热[1,2,3]、集水[4,5,6]、减阻[7,8,9]、特殊润湿性[10,11,12,13,14]和液体操控[15,16,17,18,19,20]。MFAs的特定功能特性源于其独特的几何特征，包括形状、姿态和尺寸。为实现卓越的性能和更高的实用价值，研究人员经常从自然界中汲取灵感，设计了众多仿生MFAs，如南洋杉叶[21,22,23]、松针[24]、仙人掌[25,26]、沙漠甲虫鞘翅[27,28]和稻叶[29,30]。尽管MFAs在许多领域表现出优异的性能，但其发展和大规模实际应用仍面临挑战。从最初设计到使用周期结束，这些局限主要涉及理想设计与优化、工业制造方法和机械耐久性。目前，在物理化学理论的推动下，MFAs的理想设计已取得显著进展[31,32,33]。然而，高效绿色制造方法仍需改进，特别是对于具有复杂形状、姿态和小尺寸的MFAs。

在制造行业中，加工方法可根据加工过程中材料去除方式分为三种基本技术，即增材制造、减材制造和成形制造[34,35]。这三种制造技术在制备MFAs中均被广泛应用。这三种制备MFAs的方法涉及不同的成形原理，每种方法在制备MFAs中解决特定挑战的同时，在某些方面表现出各自独特的优缺点。以下部分总结了制备MFAs的典型技术的进展和存在的问题。

**增材制造**，也称为3D打印，从根本上基于离散累积的核心概念。基于切片的三维数字模型，3D打印采用激光熔化或光聚合等技术，通过逐层累积构建所需物体[36,37,38]。得益于逐层沉积路线，3D打印支持多种原材料，包括金属粉末[39]、光聚合树脂[40]和其他粘合材料[41]。在MFAs制备领域，3D打印展现出卓越的潜力。Sun等人[42]利用选择性激光熔化方法构建了倒梯形结构阵列，用于研究水滴的接触角。经化学修饰后，修饰后的阵列表现出更大的水接触角和强耐腐蚀性。Ho等人[43]利用激光烧结技术制备了锥形、三角形和矩形的垂直针状翅片。针状翅片表现出优异的凝结系数，为设计集水和海水淡化设备提供了见解。与金属微结构的增材制造相比，基于树脂的MFAs的3D打印更受研究人员青睐。光聚合技术可实现亚微米级分辨率，远超金属增材制造所能达到的百米微米级分辨率，适合制备复杂的MFAs[44]。通过投影微立体光刻方法，Sun等人[45]设计了具有倾斜姿态的双尺度倒钩结构。结果表明，倒钩阵列的倾斜姿态是控制液体操控特性的关键，可以操控油水混合物的传播方向。增材制造，特别是立体光刻技术，能够实现具有复杂形状和姿态的定制MFAs的快速原型制造，为揭示功能应用的潜在机理提供了有效手段。然而，材料多样性有限、成本高和加工时间长等局限性阻碍了增材制造在大规模制备MFAs中的应用。

**减材制造**方法应用最为频繁，阵列结构通过自上而下消除材料获得，如激光加工[46,47,48,49,50,51,52,53,54,55]、线切割加工[56,57,58,59,60,61,62]、微机械加工[63,64,65,66,67,68,69,70,71,72,73]和电化学加工[74,75,76,77,78,79]。激光加工凭借其非接触加工、参数可控性强和材料兼容性广等优势，已成为制备表面MFAs的有效途径之一。激光加工通过精确控制激光脉冲宽度、能量密度、光斑尺寸和扫描策略，在材料表面实现选择性光热或光化学效应。因此，激光加工可以构建具有特定功能的微特征，如微沟槽、微柱阵列和多孔结构。按脉冲宽度划分，激光加工可分为纳秒（ns，10?? s）、皮秒（ps，10?12 s）和飞秒（fs，10?1? s）激光加工技术。纳秒激光的热影响区相对较大（通常为数十微米），容易导致表面氧化和裂纹等缺陷，因此难以满足高精度加工要求[80]。皮秒和飞秒激光加工可以通过缩短脉冲持续时间来最小化热扩散，使其成为制备高精度微功能结构的合适技术。相反，其低单脉冲能量在加工效率和长径比控制方面造成瓶颈[81]。微机械加工利用微型刀具通过自上而下剥离材料来制备微至宏观结构[82]。存在多种类型的微机械加工方法，包括微车削[83]、微铣削[84]和飞切削[85]。利用数控加工中心或超精密机床，微机械加工可通过路径控制制备沟槽或方形柱阵列[86]。近年来，研究人员尝试将能量场引入微机械加工中，以获得更精确的MFAs。杜等人[87,88]开发了一种原位激光辅助超精密切割工艺，用于创建MFAs。据此，他们成功在难加工材料表面上制备了高精度双正弦和微透镜微结构阵列。此外，材料属性和刀具磨损在微机械加工制备MFAs时也有显著影响。张等人[89,90,91]不仅开发了振动辅助飞切削系统，实现了结构色阵列的快速制备，还分析了刀具磨损对表面质量的不良影响。与微机械加工相比，电化学加工通过电化学反应去除材料，从而能够在不受材料硬度或韧性限制的情况下制备微结构[92,93]。由于阴极工具的可扩展性，电化学加工非常适合大规模工业应用。然而，电极形状需要与微结构的轮廓匹配，限制了其在小规模多样化MFAs中的应用[94,95]。

**成形制造**方法涉及通过模具或工具，利用物理或化学过程将材料塑形成特定几何形状，主要包括模板法和压印法。模板法通过物理或化学手段（如铸造和涂覆）将材料沉积到预制的模板上，通过模板的预定义几何形状精确控制沉积材料的形态和尺寸。去除模具后，所期望的MFAs表面复制了模板的倒置结构。例如，为了获得微柱阵列，Song等人[96]首先通过微钻孔制备盲孔阵列作为模板。随后，通过铸造、脱模和喷涂工艺制备了超疏水柱阵列。与模板法相比，压印法通过机械压力将模具的微结构转移到目标材料表面，形成理想的MFAs[97,98]。因此，压印法对微结构阵列模具的精度和质量要求很高。由于成形原理简单，一旦模具设计和制造完成，压印法即可从多种材料（如聚合物、钛、铜、铝合金等）中生产MFAs[99,100]。成形制造方法已成为大面积制备MFAs的高效途径。

从制备MFAs的结构多样性、加工灵活性、加工精度、效率和成本角度来看，上述方法各有独特优势，但仍存在一定局限性。增材制造为制备复杂和多姿态MFAs提供了有前景的方法，且MFA的材料可以涵盖聚合物和金属。与金属基MFAs相比，增材制造在制备聚合物基MFAs时表现出更高的精度和设计灵活性[38,45]。因此，许多研究人员通常采用增材制造来探索新型MFAs的可行性和基本原理[10]。然而，增材制造的缺点不容忽视，包括成本高、材料通用性差以及在大规模应用中存在的某些缺陷。成形制造方法由于成形原理简单和模具可扩展性，适合MFAs的大规模生产。不幸的是，成形制造需要额外的模具制造步骤，且具有不同形态的MFAs需要不同的模具，对模具设计和制造提出了更高的要求。相比之下，减材制造具有良好的通用性，聚合物和金属均可加工。然而，通过减材制造制备的MFAs通常具有简单的形状和姿态。开发简便、低成本、高效的制备大规模复杂MFAs的方法仍然是迫切需求。

因此，本文提出了一种制备具有复杂形状和姿态的金属MFAs的新型加工路线，其核心思想是将结构形状形成与结构姿态调整分离。根据该路线，设计了一种新的犁削挤压-切割（PE-C）方法，这是一种"一步两阶段"的顺序成形过程。PE-C可以制备具有微齿阵列和多种姿态的金属表面MFAs，实现MFAs的简便、高效和低成本制造。

本文旨在研究用于制备多姿态金属翅片阵列的新型PE-C方法。第一节提供引言，第二节介绍PE-C的工艺原理、详细实验装置设计和工艺参数设计。第三节描述相应MFAs的制备结果，以验证PE-C的工艺可行性和成形特性。第四节通过结合全流程机理分析，建立预测阵列形状和姿态的成形模型。此外，通过一系列实验数据验证模型的准确性。总体而言，本工作为制备具有多种姿态的金属MFAs提供了新的视角和指导，推动了MFAs的大规模制备和工程应用可能性。

# 章节片段

## 实验

本节介绍了PE-C的成形原理和实验设计。新的PE-C方法采用了一种新策略，即结构形成和姿态调整分开进行。因此，为了清楚地说明工艺方法，首先介绍了PE-C的原理。随后进行了实验装置设计和参数设计。

## 结果

本节展示了翅片阵列的形态和姿态演变趋势，旨在清楚地反映PE-C的成形特性。特别是，分析了λs在控制翅片姿态中的关键作用。

## 讨论

为了更深入地了解微齿阵列的成形过程，本节对PE-C进行了全流程机理分析。基于此，建立了预测阵列形状和姿态的成形模型，验证了PE-C出色的可调性和适用性。

## 结论

本工作成功开发了一种新型混合犁削挤压和切割（PE-C）策略，用于可控地制备具有可调微齿几何形状的金属MFAs。通过建立具有范式转变意义的"一步两阶段"加工方法，通过创新的材料变形路径，实现了微齿阵列的形状形成和取向调整之间的解耦。

PE-C 方法克服了传统微制造技术在整合形状方面的固有局限性
作者贡献声明
张宝宇：概念化、方法论及撰写 - 原稿；刘树登：方法论及撰写 - 原稿；钟佩璇：软件及公式分析；邓文军：监督、资源及项目管理；唐勇：监督及验证；唐恒：资金获取、方法论及监督，撰写 – 审阅与编辑。
利益冲突声明
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符合伦理标准
本研究不涉及任何人或动物参与者。
CRediT 作者贡献声明
张宝宇：撰写 – 原稿、方法论、概念化。刘树登：撰写 – 原稿、方法论。钟佩璇：软件、正式分析。邓文军：监督、资源、项目管理。唐勇：验证、监督。唐恒：撰写 – 审阅与编辑、监督、方法论、资金获取。
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中国安徽合肥安徽大学电气与自动化工程学院 230601